1. 緒論

近些年，眾多學(xué)者采用大量的物理試驗(yàn)以及工程實(shí)例向我們展示了應(yīng)變局部化所帶來(lái)的剪切帶以及界面層現(xiàn)象，使得對(duì)這一現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)更為深刻。但縱觀國(guó)內(nèi)外對(duì)于此問(wèn)題的研究趨勢(shì)與研究成果可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)剪切帶及界面層的研究仍存在幾方面的不足：1）自上世紀(jì) 70 年代至今，研究手段從砂土材料的物理試驗(yàn)發(fā)展至細(xì)觀數(shù)值試驗(yàn)（顆粒流），能夠?qū)崿F(xiàn)從砂土物理試樣及顆粒流試樣中再現(xiàn)應(yīng)變局部化現(xiàn)象，但因砂土材料的軟化特性及應(yīng)變局部化網(wǎng)格畸變等數(shù)值計(jì)算難點(diǎn)，使得對(duì)應(yīng)變局部化問(wèn)題進(jìn)行連續(xù)介質(zhì)力學(xué)層面的模擬計(jì)算一直受限，規(guī)�；瘞r土工程模擬計(jì)算中也就難以考慮應(yīng)變局部化問(wèn)題；2）對(duì)于粗粒土內(nèi)部剪切帶及粗粒土-結(jié)構(gòu)間的界面層研究，受當(dāng)前物理試驗(yàn)條件的限制，基本集中于常規(guī)壓力等級(jí)條件，缺乏考慮高壓下存在顆粒破碎條件的應(yīng)變局部化問(wèn)題研究，這使得對(duì)存在顆粒破碎條件的巖土應(yīng)變局部化問(wèn)題的認(rèn)識(shí)存在不足；3）對(duì)于土-結(jié)構(gòu)接觸單元與接觸模型的研究自上世紀(jì) 60 年代至今從未間斷，接觸單元也從無(wú)厚度單元向有厚度單元發(fā)展，接觸模型由簡(jiǎn)單的彈性模型發(fā)展至彈塑性模型，但對(duì)接觸單元厚度的確定及接觸模型類(lèi)型的選用一直是各執(zhí)己見(jiàn)，未能有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

2. 砂土強(qiáng)度、變形特性試驗(yàn)研究

2.1. 不同壓力等級(jí)下砂土強(qiáng)度、變形特性直剪試驗(yàn)
砂土強(qiáng)度、變形特性的直接剪切試驗(yàn)工作依托實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的 DRS-I 型超高壓直殘剪試驗(yàn)裝置，如圖 2-1 所示。該裝置由加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。試驗(yàn)過(guò)程中采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，剪切荷載、豎向荷載、剪切位移、豎向位移等試驗(yàn)參數(shù)均由傳感元件及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡自動(dòng)采集和輸出。為能在試驗(yàn)中考慮顆粒尺寸對(duì)砂土強(qiáng)度、變形特性的影響，同時(shí)也為將來(lái)對(duì)更大尺寸范圍內(nèi)的粗粒土材料進(jìn)行界定，論文采用 ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂經(jīng)篩分獲得的不同粒徑范圍的礫砂(1-2 mm)、粗砂(0.5-1 mm)及細(xì)砂(0.075-0.25 mm)作為試驗(yàn)材料，如圖 2-2。

2.2. 不同壓力等級(jí)下砂土強(qiáng)度、變形特性三軸試驗(yàn)
前一節(jié)已經(jīng)由直接剪切試驗(yàn)展示了砂土的剪切強(qiáng)度與變形特征，明確了砂土材料常壓至高壓條件下相關(guān)特性的改變，那么系統(tǒng)獲得砂土的強(qiáng)度、變形特性參數(shù)以用于構(gòu)建適用于不同壓力條件下能夠體現(xiàn)其特征的砂土模型便成為重要環(huán)節(jié)。本節(jié)開(kāi)展了常壓至高壓條件下砂土三軸壓縮試驗(yàn)，系統(tǒng)分析砂土材料在低壓至高壓范圍內(nèi)的強(qiáng)度、變形特性，獲得其特征參數(shù)以為下一章節(jié)建立砂土模型提供支撐�？紤]試驗(yàn)砂土的最大粒徑為 2mm，三軸壓縮試驗(yàn)的試樣尺寸選定為 39.1mm 80mm，符合允許最大粒徑小于試樣直徑的 1/10 的規(guī)定。試驗(yàn)圍壓采用常壓、中壓和高壓三種，常壓試驗(yàn)指圍壓不超過(guò) 800 kPa，中壓是指圍壓大于 800 kPa 而不大于 2000 kPa，高壓指圍壓超過(guò) 2000 kPa。針對(duì)三種粒組砂土設(shè)計(jì)進(jìn)行最小圍壓為 200 kPa、最大圍壓為 6400 kPa 共計(jì) 27 組常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)。

3. 砂土高、低壓模型研究................................... 55

3.1. 砂土高、低壓模型理論..................................... 55

3.2. 屈服面演化分析及模型參數(shù)獲取 ................................... 66

3.3. 本章小結(jié)............................... 79

4. 砂土-結(jié)構(gòu)面接觸剪切試驗(yàn)研究及結(jié)構(gòu)面描述 ............................... 80

4.1. 砂土-結(jié)構(gòu)面接觸剪切試驗(yàn)研究...................................... 80

4.2. 砂土-結(jié)構(gòu)接觸類(lèi)型及結(jié)構(gòu)面特征描述方法............................................ 90

4.3. 本章小結(jié).................................. 98

5. 剪切帶、界面層的無(wú)網(wǎng)格模擬方法及模型子程序開(kāi)發(fā)............................ 99

5.1. 剪切帶、界面層模擬方法........................... 99

6. 砂土剪切帶及砂土-結(jié)構(gòu)界面層模擬計(jì)算

6.1. 計(jì)算模型與方案
利用前一節(jié)編譯生成的新的求解器，首先對(duì)砂土材料進(jìn)行受力變形模擬計(jì)算，獲得砂土材料的力學(xué)特性以及剪切帶的產(chǎn)生、發(fā)展過(guò)程，，這也是對(duì)所構(gòu)建的砂土模型能否反映砂土材料相關(guān)特性的一個(gè)驗(yàn)證與評(píng)價(jià)，同時(shí)也可確定將所構(gòu)建砂土模型接入無(wú)網(wǎng)格方法進(jìn)行相關(guān)問(wèn)題數(shù)值模擬的可行性。在證實(shí)論文所構(gòu)建砂土模型接入 SPH 方法用于計(jì)算的可行性與合理性的基礎(chǔ)上，對(duì)砂土-結(jié)構(gòu)界面剪切試驗(yàn)進(jìn)行模擬，獲得界面剪切過(guò)程中界面層的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程及受邊界條件的影響規(guī)律，以能夠?qū)缑鎸拥漠a(chǎn)生、發(fā)展機(jī)制有更深刻的認(rèn)識(shí)。砂土自身力學(xué)特性的計(jì)算模型如下圖 6-1 所示，鑒于 SPH 方法目前還尚未成熟，內(nèi)部邊界條件施加特別是軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題的光滑節(jié)點(diǎn)排布與徑向力施加還有待進(jìn)一步完善。因此，論文計(jì)算選用相對(duì)完善的塊體幾何模型以模擬砂土平面應(yīng)變的雙軸壓縮剪切問(wèn)題，模擬過(guò)程中對(duì)試樣前后方向施加對(duì)稱(chēng)約束，形成平面應(yīng)變模式。模擬中平面應(yīng)變模型可以較為直觀地呈現(xiàn)試樣的變形發(fā)展趨勢(shì)。

6.2. 砂土雙軸試驗(yàn)結(jié)果及分析
從圖 6-3(a)(c)(e)中可以看出，三種粒組砂土在常圍壓條件下的軸向應(yīng)力-軸向位移曲線存在明顯的峰值點(diǎn)，呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，并最終趨于平緩；在高圍壓條件下的砂土應(yīng)變軟化特征消失，隨圍壓增大逐漸呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特征。這一結(jié)果與試驗(yàn)獲得結(jié)論吻合，提取計(jì)算過(guò)程中的單元體積總和，可以得到試樣在剪切過(guò)程中的體積變化量，圖 6-3(b)(d)(f)為雙軸試驗(yàn)?zāi)M的壓縮剪切體變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線�？梢钥闯�，三種砂土在常圍壓下的剪切過(guò)程中試樣體積隨軸向應(yīng)變發(fā)展先減小而后逐漸增大，并最終穩(wěn)定，體積增大趨勢(shì)隨著圍壓的增大而逐漸減弱，由常壓下的剪脹趨勢(shì)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏合录艨s趨勢(shì)。比較圖中三種砂土在中壓條件下的軸向應(yīng)力-軸向位移以及剪切體變-軸向位移關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)，礫砂在中壓條件下表現(xiàn)出了應(yīng)變硬化與剪縮特征，而粗砂、細(xì)砂則仍呈現(xiàn)出一定程度的應(yīng)變軟化與剪脹特征。
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7. 結(jié)論與展望

論文采用室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值分析為研究手段，對(duì)砂土力學(xué)特性、砂土模型、砂土-結(jié)構(gòu)面接觸剪切作用機(jī)制以及砂土剪切帶、砂土-結(jié)構(gòu)界面層的演化模擬計(jì)算問(wèn)題進(jìn)行了研究。獲得以下結(jié)論：（1）砂土的等向壓縮曲線呈指數(shù)衰減型，在高壓階段，砂土顆粒出現(xiàn)了一定量的破碎，導(dǎo)致砂土內(nèi)部組構(gòu)發(fā)生改變，破碎顆粒充填砂樣原有結(jié)構(gòu)，使得砂樣孔隙比迅速減小，砂樣孔隙比-豎向壓力間的擬合關(guān)系可表示為 e   a   b   exp   c   ln p 。砂土的壓縮特性具有明顯的粒徑效應(yīng)，大尺寸砂土顆粒在高壓力下較小尺寸顆粒更易破碎，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生更大的孔隙比變化。（2）砂土在常、中圍壓條件下（0.2MPa-2.0MPa）的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線呈應(yīng)變軟化特征，剪切過(guò)程有顯著的剪切體縮趨勢(shì)；在高圍壓條件下（2MPa-6.4MPa），砂土三軸壓縮應(yīng)變軟化特征逐漸消失，逐漸呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特征，剪切體脹趨勢(shì)減弱并轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟畜w縮。（3）砂土材料的三軸壓縮剪切峰值應(yīng)力比受砂土粒徑、圍壓共同影響，不同粒徑、不同圍壓下的峰值強(qiáng)度公式不同，影響了經(jīng)典的 M-C 強(qiáng)度準(zhǔn)則在高壓條件下的應(yīng)用。采用殘余應(yīng)力比獲得的強(qiáng)度公式則基本不受粒徑、圍壓影響，不同粒組、不同圍壓下的強(qiáng)度公式一致，是典型的無(wú)粘性摩擦型巖土材料的力學(xué)特性參數(shù)。因此，由殘余應(yīng)力比獲得的殘余強(qiáng)度應(yīng)作為砂土基本力學(xué)參數(shù)，在砂土模型予以體現(xiàn)。
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參考文獻(xiàn)（略）